CN116686125A - 气体扩散层、分离器及电化学反应装置 - Google Patents

气体扩散层、分离器及电化学反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池用气体供给扩散层(42A)，其具有能够透过和扩散气体且具有导电性的片状多孔质体层(40)；以及在多孔质体层(40)的一个面上分别从气体的流入侧向流出侧形成的多个气体流路用槽。在燃料电池用气体供给扩散层42A中，多个气体流路用槽包括形成在气体的流入侧的多个气体流入侧槽(53a、53b)；以及形成在气体的流出侧的多个气体流出侧槽(54a、54b)，多个气体流入侧槽(53a、53b)包含具有不同长度的两种或以上的气体流入侧槽(53a、53b)。根据本发明，能够提供一种比以往更加提高反应效率(发电效率)的燃料电池用气体供给扩散层(42A)。

Description

气体扩散层、分离器及电化学反应装置
技术领域
本发明涉及气体扩散层、分离器及电化学反应装置。
背景技术
以往，在固体高分子型燃料电池(pefc：polymerelectrolytefuel cell)的技术领域中，已知有能够均匀地供给及扩散燃料电池用气体(阳极气体、阴极气体)的燃料电池电堆(例如，参照专利文献1)。图32是展示现有燃料电池电堆920的正视图。图33和图34是现有燃料电池电堆920中的CA类型的分离器921的平面图。其中，图33是从燃料电池用气体供给扩散层(阴极气体供给扩散层)942侧观察的平面图，图34是从燃料电池用气体供给扩散层(阳极气体供给扩散层)941侧观察的平面图。图35是沿图33的A-A线的截面图。
现有燃料电池电堆920如图32～图35所示，具有多个分离器(CA类型的分离器921、A类型的分离器922、C类型的分离器922、AW类型的分离器924)层叠的结构，该多个分离器由在金属板30的至少一个面上设有由多孔质体层构成的燃料电池用气体供给扩散层来构成。CA类型的分离器921、A类型的分离器922及AW类型的分离器924中的“A”表示燃料电池用气体供给扩散层(阳极气体供给扩散层)941，CA类型的分离器921及C类型的分离器923中的“C”表示燃料电池用气体供给扩散层(阴极气体供给扩散层)942，AW类型的分离器924中的“W”表示冷却水供给扩散层。根据现有的燃料电池电堆920，由于在分离器上形成有由多孔质体层构成的燃料电池用气体供给扩散层941、942，因此能够使燃料电池用气体在燃料电池用气体供给扩散层的整个面上均匀地扩散。其结果，能够在膜电极接合体(MEA)81的整个面上均匀地供给燃料电池用气体，从而能够比以往更加提高燃料电池的发电效率。
在电化学领域，使用气体化学反应进行发电和电解是表里如一的关系。上述燃料电池用气体供给扩散层、分离器及燃料电池电堆为大致原样的构成，如果使用水代替气体，则认为也能够转用于电解(生成阴极气体及阳极气体)。再有，上述燃料电池用气体供给扩散层、分离器及燃料电池电堆以大致原样的结构，还可以运用于使用与气体同样流体即液体代替气体的甲醇燃料电池(甲醇水溶液阳极、空气阴极)、锂离子/空气电池(空气阴极)及氧化还原流动式电池(供给钒离子水溶液的阳极/阴极)。因此，在本说明书中，作为包含“燃料电池用气体供给扩散层”的表述(无论燃料电池用还是电解用)均使用“气体扩散层”来进行表述，作为包含“料电池电堆”的表述使用“电化学反应装置”来进行表述。“气体扩散层”是指“以气体的扩散为主要目的的层”，其也可以在层内部使气体以外的物质(特别是水等液体)扩散或流通。
【先行技术文献】
【专利文献1】国际公开第2015/072584号
然而，在电化学技术领域中，需要一种能够比以往更提高反应效率(如果是燃料电池则为发电效率)的技术。
因此，本发明的目的在于提供一种能够比以往更加提高反应效率的气体扩散层、分离器及电化学反应装置。
发明内容
本发明一个实施方式的气体扩散层包括能够透过及扩散气体且具有导电性的片状的多孔质体层；以及在多孔质体层的一个面上从气体的流入侧向流出侧形成的多个气体流路用槽，其特征在于：多个气体流路用槽包含形成于气体的流入侧的多个气体流入侧槽以及形成于气体的流出侧的多个气体流出侧槽，多个气体流入侧槽包含具有不同长度的两种或以上的气体流入侧槽。
本发明的一个实施方式的分离器包括气体遮蔽板；以及配置在气体遮蔽板的至少一个面上的气体扩散层，其特征在于：气体扩散层为权利要求1～16中任一项的气体扩散层，气体扩散层以多个气体流路用槽位于气体遮蔽板侧的方式相对于气体遮蔽板配置，由气体流路用槽和气体遮蔽板构成气体流路。
本发明的一个实施方式的电化学反应装置由分离器和膜电极接合体层叠而成，其特征在于：分离器为权利要求17的分离器，分离器与膜电极接合体以膜电极接合体位于气体扩散层的未形成有多个气体流路用槽的一侧的面上的位置关系层叠。
发明效果
根据本发明，能够提供一种与以往相比能够提高反应效率气体扩散层、分离器及电化学反应装置。
附图说明
图1是展示实施方式1的燃料电池电堆20的正视图。
图2是展示实施方式1的燃料电池电堆20的侧视图。
图3是用于说明膜电极接合体(MEA)81的图。
图4是实施方式1的燃料电池用分离器23A的俯视图。
图5是实施方式1的燃料电池用分离器23A的截面图。
图6是用于说明实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A中的气体流入侧槽53a、53b及气体流出侧槽54a、54b的图。
图7是用于说明实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A中的中继用槽55a～55d及连通槽56a、56b的图。
图8是实施方式1的燃料电池用分离器23A以外的分离器(燃料电池用分离器21、22、24、25)的截面图。
图9是实施方式2的燃料电池用分离器23B的俯视图。
图10是用于说明实施方式2的燃料电池用气体供给扩散层42B中的气体流入侧槽53c～53f及气体流出侧槽54c～54f的图。
图11是用于说明实施方式2的燃料电池用气体供给扩散层42B中的中继用槽55e及连通槽56c的图。
图12是实施方式3的燃料电池用分离器23C的俯视图。
图13是用于说明实施方式3的燃料电池用气体供给扩散层42C中的气体流入侧槽53g～53j和气体流出侧槽54g～54j的图。
图14是用于说明实施方式3的燃料电池用气体供给扩散层42C中的中继用槽55d～55j及连通槽56d、56e的图。
图15是实施方式4的燃料电池用分离器23D的俯视图。
图16是用于说明实施方式4的燃料电池用气体供给扩散层42D中的气体流入侧槽53k～53n和气体流出侧槽54k、54l的图。
图17是用于说明实施方式4的燃料电池用气体供给扩散层42D中的中继用槽55k～55p的图。
图18是实施方式5的燃料电池用分离器23E的俯视图。
图19是实施方式6的燃料电池用分离器23F的俯视图。
图20是实施方式7的燃料电池用分离器23G的俯视图。
图21是实施方式8的燃料电池用分离器23H的俯视图。
图22是比较例的燃料电池用分离器23I的平面图。
图23是试验例中使用的阳极气体用燃料电池用分离器22A的平面图。
图24是测试例3中测量电流密度分布时的区域划分图。
图25是展示试验例1的结果(气体流路用槽的图案与发电特性的关系)的曲线图。
图26是展示试验例2的结果(气体流路用槽的图案与燃料电池用气体供给扩散层的压力损失的关系)的曲线图。
图27是展示试验例3的结果(气体流路用槽的图案与燃料电池用气体供给扩散层的电流密度分布的关系)的曲线图。
图28是变形例1的燃料电池用分离器23J的俯视图。
图29是变形例2的燃料电池用分离器23K的俯视图。
图30是变形例3的燃料电池用分离器23L的俯视图。
图31是变形例4的燃料电池分离器23M的平面图。
图32是现有的燃料电池堆920的正视图。
图33是现有的燃料电池组920的CA型燃料电池用分离器921的平面图。
图34是现有的燃料电池电堆920中的CA型燃料电池用分离器921的平面图。
图35是沿图33中的线A-A的截面图。
具体实施方式
以下，使用附图所示的实施方式详细说明本发明的气体扩散层、分离器及电化学反应装置。
【实施方式1】
图1是展示实施方式1的燃料电池电堆20(电化学反应装置)的正视图。图2是展示实施方式1的燃料电池电堆20的侧视图。
实施方式1的燃料电池电堆20(电化学反应装置)是由燃料电池用分离器21、22、23a、24(分离器)和膜电极接合体81层叠而成的燃料电池电堆。进而言之，燃料电池电堆20是固体高分子型燃料电池(pefc：polymer electrolytefuelcell)。燃料电池电堆20具有多个单元(Cell)。燃料电池电堆20各电池具有膜电极接合体81、以及夹着膜电极接合体81构成阴极侧的要素和构成阳极侧的要素。
燃料电池用分离器21在金属板30(气体遮蔽板)的一个面上形成有阴极气体供给扩散层C，在另一个面上形成有阳极气体供给扩散层A(CA类型的分离器)。燃料电池用分离器22在金属板30的一个面上形成有阳极气体供给扩散层A(A型分离器)。燃料电池用分离器23A在金属板30的一个面上形成有阴极气体供给扩散层C(C类型的分离器)。燃料电池用分离器24在金属板30的一面形成有阴极气体供给扩散层C，在另一面形成有冷却水供给扩散层W(CW类型的分离器)。
各电池以阴极侧和阳极侧交替的方式配置。阴极气体供给扩散层C和阳极气体供给扩散层A隔着膜电极接合体(MEA)81相向设置。在本实施方式中，设有在每配置两个单元时供给冷却水的冷却水供给扩散层W。冷却水供给扩散层W可以每隔一个单元设置，也可以每隔三个或更多个设置。燃料电池用分离器21、22、23a、24以金属板30(优选为A型或C型分离器中的金属板30)与冷却水供给扩散层W相对的方式组合并层叠。
另外，虽然在图1及图2中没有图示，但燃料电池电堆也可以具备在金属板30的一个面上形成有阳极气体供给扩散层A，在另一个面上形成有冷却水供给扩散层W的结构(AW类型的分离器)。也可以具备在金属板30的一个面上形成有冷却水供给扩散层W的分离器(类型w的分离器)。也可以具备在金属板的两面形成有冷却水供给扩散层W的分离器。关于各分离器结构的详细情况将在后面叙述。
在层叠的单元的两端部配设有集电板27A、27B。此外，在集电板27A、27B的外侧，隔着绝缘片28A、28B配置有端板75、76。燃料电池用分离器21、22、23A、24被端板75、76从两侧按压。对于位于燃料电池电堆20的两端、与集电板27A、27B接触的分离器，优选其金属板30(耐腐蚀层)朝向外侧。
在图1及图2中，为了容易理解，分离地描绘了燃料电池用分离器21、22、23A、24、膜电极接合体81、集电板27A、27B、绝缘片28A、28B、以及端板75、76，但实际上这些要素按照图示排列的顺序相互紧密接合。接合的方法没有特别限定。例如，可以仅通过利用端板75、76从两侧按压各构件来接合，也可以在利用粘接剂粘接各构件的适当位置后，通过利用端板75、76从两侧按压各构件来接合，还可以利用其他方法进行接合。各燃料电池用分离器21、22、23a、24、膜电极接合体81、集电板27A、27B、绝缘片28A、28B等例如厚度为百μm左右至十mm左右。本说明书的各实施方式中的各图对厚度进行了夸张的展示。
在阳极侧端板75的一端部分别设有阳极气体供给口71in、阴极气体排出口72out及冷却水排出口73out。另一方面，在阴极侧的端板76的一端部(端板75的与上述一端部相反的一侧)设有阳极气体排出口71out、阴极气体供给口72in以及冷却水供给口73in(在图2中均为虚线)。在这些各供给口、各排出口上分别连接有对应流体的供给管、排出管。
在各燃料电池用分离器21、22、23A、24上分别设置有与阳极气体供给口71in连通的阳极气体流入口61in、与阴极气体排出口72out连通的阴极气体(及生成水)流出口62out、以及冷却水排出口73out。在各燃料电池用分离器21、22、23A、24上，分别设置有与阳极气体排出口71out连通的阳极气体流出口61out、与阴极气体供给口72in连通的阴极气体流入口62in、以及与冷却水供给口73in连通的冷却水流入口63in。
通过阳极气体供给口71in、阴极气体供给口72in及冷却水供给口73in来供给阴极气体、阳极气体及冷却水。在实施方式1中，例示了使用氢气作为阳极气体、使用空气作为阴极气体的情况。
接着，对膜电极接合体81进行说明。
图3是用于说明膜电极接合体(MEA)81的图，其中，图3(a)是膜电极接合体81的俯视图，图3(b)是膜电极接合体81的正视图，图3(c)是膜电极接合体的侧视图。
膜电极接合体81如图3所示，具有电解质膜(PEM)82、分别配置在电解质膜82的两面的催化剂层(CL)85、以及配置在各催化剂层85的外侧面的微孔层(MPL)83。在本说明书中，由电解质膜82和配置在其两侧的催化剂层85构成的膜称为催化剂涂层电解质膜(CCM)。微孔层83具有比多孔质体层40更微细直径的气孔(细孔)。另外，可以省略微多孔层83。在后述的变形例7中如后所述，在省略微孔层83向赋予催化剂层85的的情况下，也可以将微孔层83赋予在与催化剂层85接触的燃料电池用气体供给扩散层41、42a的表面。
下面，以燃料电池用分离器23A为例说明燃料电池用气体供给扩散层42A(气体供给扩散层)。图4是燃料电池用分离器23A俯视图。
图4是从金属板30侧观察C型燃料电池用分离器23A的俯视图，但为了容易理解燃料电池用分离器23A中的多个气体流路用槽的配置，省略了金属板30的图示。在以图4为首的分离器的俯视图中，为了避免符号的表示变得复杂，对于气体流路用槽(气体流入侧槽、气体流出侧槽及中继用槽)，即使在有多个相同形状的槽的情况下，原则上也只对任意的一个槽表示符号。
图5是实施方式1的燃料电池用分离器23A的截面图，其中，图5(a)是沿着图4的A1-A1线的截面图，图5(b)是沿着图4的A2-A2线的截面图，图5(c)是沿着图4的A3-A3线的截面图。图5中，为了表示燃料电池用分离器23A与膜电极接合体81的位置关系，展示了接合有膜电极接合体81的状态下的燃料电池用分离器23A。另外，省略了膜电极接合体81的截面构造的图示。图6是用于说明实施方式1的燃料电池用分离器23A的气体流入侧槽53a、53b及气体流出侧槽54a、54b的图。图7是用于说明实施方式1的燃料电池用分离器23A中的中继用槽55a～55d及连通槽56a、56b的图。为了容易理解槽的配置，在图6中省略了中继用槽55a～55d以及连通槽56a、56b的图示，并在图7中省略了气体流入侧槽53a、53b以及气体流出侧槽54a、54b的图示。
如图4和图5所示，燃料电池用分离器23A是具备作为气体遮蔽板金属板30以及配置在金属板30的至少一个面上的燃料电池用气体供给扩散层42A的分离器。图5中，在金属板30上画有表示剖面的阴影线。金属板30优选由镍铬铁合金、镍、金、银和铂中一种以上构成的金属，或者是在奥氏体系不锈钢板上的金属的镀敷或包层材料。通过使用这些金属，可以提高耐腐蚀性。
在燃料电池用分离器23A中，在金属板30的纵向的一端部(图4的下部)，按照图4的右、中央、左的顺序设有阴极气体流入口62in、冷却水流入口63in、以及阳极气体流出口61out。在另一端部(图4的上部)，按照图4的左、中央、右的顺序设有阴极气体流出口62out、冷却水流出口63out、以及阳极气体流入口61in。
各流入口61in、62in、63in、各流出口61out、62out、63out、及燃料电池用气体供给扩散层42A的形成区域的各自的周围被电子导电性或非电子导电性的致密框32包围。致密框32可与防止阳极气体、阴极气体及冷却水泄漏。在致密框32的外表面，以包围各流入口61in、62in、63in、各流出口61out、62out、63out、以及燃料电池用气体供给扩散层42A的形成区域的方式，沿着致密框32形成有槽(未图示)。在该槽内配置有衬垫(填料、O型环等密封材料)33。
在金属板30的两面，除了设置有上述各流入口61in、62in、63in以及各流出口61out、62out、63out的部分之外，在其整个面上还形成有具有电子导电性的耐腐蚀层(图5中未图示)。也可以在各个流入口61in、62in、63in、以及各个流出口61out、62out、63out内周面形成耐腐蚀层。也可以在金属板30的侧面和端面上形成耐腐蚀层。耐腐蚀层优选为与致密框32相同组成的致密层，其具有抑制金属板30腐蚀的作用。在组合分离器构成图1或图2所示的燃料电池电堆20的阶段，衬垫33与被接合的其他分离器、膜电极接合体81或集电板27A、27B密接，以抑制流体的泄漏。
燃料电池用分离器23A是C型分离器，如图4～图7所示，在作为基板的长方形金属板30的一个面的中央部形成有用于供给扩散阴极气体的燃料电池用气体供给扩散层42A。也就是说，燃料电池用气体供给扩散层42A是阴极气体用燃料电池用气体供给扩散层。燃料电池用气体供给扩散层42A包括：能够透过和扩散气体且具有导电性的片状的多孔质体层40；以及在多孔质体层40的一个面上分别从气体(在燃料电池用分离器23A中为阴极气体)的流入侧向流出侧形成的多个气体流路用槽。多个气体流路用槽以位于金属板30(气体遮蔽板)侧的方式相对于金属板30(气体遮蔽板)配置，并由气体流路用槽和金属板30(气体遮蔽板)构成气体流路。需要说明的是，燃料电池用分离器23A和膜电极接合体81以膜电极接合体81位于燃料电池用气体供给扩散层42A的未形成有多个气体流路用槽的一侧的面上的位置关系层叠(参照图5)。“气体流路用槽”和“气体流路”不是气体专用的槽，也可以用于使气体以外的物质(特别是水等液体)的流通。
在本说明书中，“从气体的流入侧向流出侧”是指“沿着大致气体的流动方向”，“从气体的流入侧向流出侧”的方向是指作为多孔质体层40整体来看时的多孔质体层40内的气体的流动方向。这是因为，如实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A那样，在阴极气体流入口62in和阴极气体流出口62out配置在金属板30的对角线上的位置的情况下，气体流路不需要沿着上述对角线形成，而如实施方式1那样，当“从气体流入侧朝向流出侧”的方向为“作为多孔质体层40整体来看时的多孔质体层40内的气体的流动方向向图4的纸面的从下向上的纵向的情况下”，如图4所示，可以沿图4的纸面的从下到上的纵向形成多个气体流路用槽，或者也可以沿其他方向形成。
多个气体流路用槽包括形成在气体的流入侧(图4和图6的下部)的多个气体流入侧槽53a、53b、以及形成在气体的流出侧(图4和图6的上部)的多个气体流出侧槽54a、54b。多个气体流入侧槽53a、53b包括具有不同长度的两种或以上的(该情况下为两种)气体流入侧槽53a、53b。
在燃料电池用气体供给扩散层42A中，相邻的两个气体流入侧槽53a、53b具有不同的长度(参照图6)。换言之，沿着与从气体流入侧向流出侧的“y方向”垂直的“x方向”相邻的两个气体流入侧槽53a、53b中的流出侧的终端的位置位于沿着“y方向”分离的位置上。在燃料电池用气体供给扩散层42A中，相邻的三个气体流入侧槽中的至少一个气体流入侧槽具有与其他气体流入侧槽不同的长度，并且相邻的四个气体流入侧槽中的至少一个气体流入侧槽具有与其他气体流入侧槽不同的长度。
在本说明书中，"相邻的三个气体流入侧槽中的至少一个气体流入侧槽具有与其他气体流入侧槽不同的长度"、"相邻的四个气体流入侧槽中的至少一个气体流入侧槽具有与其他气体流入侧槽不同的长度"是指："在将相邻的三个气体流入侧槽定义为一组气体流入侧槽组时，无论观察气体扩散层所包含的多组气体流入侧槽组中的哪一组气体流入侧槽组，三个气体流入侧槽中的至少一个槽都具有与其他气体流入侧槽不同的长度"、并且"在将相邻的四个气体流入侧槽定义为一组气体流入侧槽组时，无论观察气体扩散层所包含的多组气体流入侧槽组中的哪一组气体流入侧槽组，四个气体流入侧槽中的至少一个槽都具有与其他气体流入侧槽不同的长度"。这一点在后述的气体流出侧槽也是一样的。
在燃料电池用气体供给扩散层42A中，多个气体流出侧槽54a、54b包括具有不同长度的两种或以上的(此时为两种)气体流出侧槽54a、54b。相邻的两个气体流出侧槽54a、54b具有不同的长度(参照图6)。换言之，沿着上述"x方向"的相邻的两个气体流出侧槽54A、54B中的流入侧的始端的位置位于沿着上述“y方向”分离的位置上。在燃料电池用气体供给扩散层42A中，邻接的三个气体流出侧槽中至少一个气体流出侧槽具有与其他气体流出侧槽不同的长度，邻接的四个气体流出侧槽中至少一个气体流出侧槽具有与其他气体流出侧槽不同的长度。
在燃料电池用气体供给扩散层42A中，多个气体流入侧槽53a、53b中具有最短长度的气体流入侧槽53a具有不到多孔质体层40的从气体流入侧沿着流出侧的长度的30％的长度，多个气体流入侧槽53a、53b中具有最长长度的气体流入侧槽53b具有大于等于多孔质体层40的从气体流入侧沿着流出侧的长度的40％的长度。
在燃料电池用气体供给扩散层42A中，多个气体流入侧槽53a、53b中的具有最短长度的气体流入侧槽53a具有不到多孔质体层40的从气体流入侧沿着流出侧的长度的30％的长度。多个气体流出侧槽54a、54b中具有最长长度的气体流出侧槽54b具有大于等于多孔质体层40的从气体的流入侧沿着流出侧的长度的30％的长度。
多个气体流路用槽除了多个气体流入侧槽53a、53b和多个气体流出侧槽54a、54b之外，还包括形成在气体流入侧槽53a、53b与气体流出侧槽54a、54b之间的多个中继用槽55a～55d。多个中继用槽55a～55d之间沿着与从气体流入侧朝向流出侧的方向相垂直的方向(x方向)连通。具体而言，中继用槽55a、55b通过连通槽56a连通，中继用槽55c、55d通过连通槽56b连通(参照图7)。由于中继用槽55a、55b与中继用槽55c、55d是相互独立的，因此在燃料电池用气体供给扩散层42A中，也可以说多个中继用槽55a～55d由两段形成。另外，也可以对中继用槽与连通槽连通部分那样的在气体流路用槽中能够形成角部或角部的部分实施适当的倒角处理或弄圆处理。
多个气体流入侧槽53a、53b、多个气体流出侧槽54a、54b以及多个中继用槽55a～55d相互交织地形成(参照图4和图5)。在俯视燃料电池用气体供给扩散层42A时，气体流路用槽形成区域的面积相对于多孔质体层40整体的面积的比例在30％～80％的范围内。该面积比例优选在40％～70％的范围内。
作为阴极气体的空气(氧气及氮气)在多孔质体层40(气体扩散层43)内扩散。多孔质体层40含有导电材料(优选碳系导电材料)和高分子树脂的混合物。通过在高分子树脂中混合碳系导电材料，可以赋予高分子树脂较高的导电性，另外通过高分子树脂的粘结性可以提高碳材料的成型性。多孔质体层40流体阻力取决于多孔质体层的气孔率和流体流动面的面积。气孔率越大，流体阻力就越小。流体流动的面积越大，流体阻力就越小。作为大致标准，在(阴极气体用的)燃料电池用气体供给扩散层42A中，多孔质体层40的气孔率为50～85％左右。在(阳极气体用的)燃料电池用气体供给扩散层41中，多孔质体层40的气孔率为30～85％左右。
由于多孔质体层40的气孔率如上所述，能够经由多个气体流路用槽的内表面适当地进行气体流路用槽与多孔质体层40之间的阴极气体、水蒸气、冷凝水的流通，这样一来，就能够向膜电极接合体均匀地供给大量的气体，另外，还能够将发电时未使用的阴极气体、发电时生成的水蒸气和冷凝水高效地排出到气体流路用槽外。其结果，在气体流路用槽的内表面，就不需要形成在由金属、陶瓷、树脂等构成的不透气层上开设有多个微细的气体流通孔的透气过滤器之类的要素。
通过调整碳系导电材料的含有率，可以调整燃料电池用气体供给扩散层42A的气孔率，进而可以调整燃料电池用气体供给扩散层42A的移动阻力。特别是当提高碳系导电材料的含有率时，移动阻力变小(气孔率变大)。相反，如果降低碳系导电材料的含有率，则移动阻力变大(气孔率变小)。耐腐蚀层和致密框32也是碳系导电材料和高分子树脂的混合物，优选通过碳系导电材料的适度含有率，在确保导电性的同时致密化。
作为碳系导电材料没有特别限定，例如可以使用石墨、炭黑、涂金刚石炭黑、碳化硅、碳化钛、碳纤维、碳纳米管等。作为高分子树脂，热固性树脂及热塑性树脂均可使用。作为高分子树脂的例子，可以举出酚醛树脂、环氧树脂、三聚氰胺树脂、橡胶类树脂、呋喃树脂、偏二氟乙烯树脂等。
在阴极气体流入口62in与形成有多孔质体层40的区域之间形成有流入通路57(参照图4)。在阴极气体流出口62out与形成有多孔质体层40的区域之间形成有流出通路58。这些流入通路57及流出通路58用于支撑膜电极接合体81或其框架81A。因此，只要是能够使阴极气体顺畅地流动且能够支持膜电极接合体81的结构即可。例如，可以是气孔率极大的多孔质层，也可以是排列了多个支柱的结构。在多孔质体层40中面向流入通路57的区域沿着金属板30的宽度方向形成有细长的气体流入侧段差51。在多孔质体层40中面向流出通路58的区域也沿着金属板30的宽度方向形成有细长的气体流出侧段差52。不过，也可以省略气体流入侧段差51及气体流出侧段差52。
多孔质体层40、流入通路57、及流出通路58形成为与致密框32相同的高度(厚度)。在燃料电池用气体供给扩散层42A的与金属板30相对的一侧的面上，设有由空隙构成的多个气体流路用槽，在这些多个气体流路用槽和金属板30之间的间隙中形成有多个气体流路。多个气体流入侧槽53a、53b经由气体流入侧段差51与流入通路57连通，多个气体流出侧槽54a、54b经由气体流出侧段差52与流出通路58连通。气体流路用槽的数量及结构不限于图示的情况。
实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A在将其用于运输机用的燃料电池时，取决于运输设备的种类和大小，多孔质体层40的横向宽度例如为30mm～300mm左右。气体流路用槽的宽度例如为0.3mm～2mm左右。多孔质体层40的厚度例如为150～400μm左右，气体流路用槽的深度例如为100～300μm左右，气体流路用槽的底与多孔质体层40的另一个面的距离(顶部厚度)例如为100～300μm左右。将实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A用于运输设备以外的用途(例如固定用)的燃料电池或用于电解的装置时，不限于上述尺寸，可以根据所需的性能等使用适当尺寸的燃料电池用气体供给扩散层。
A型的燃料电池用分离器22中的燃料电池用气体供给扩散层41也具有基本上与燃料电池用气体供给扩散层42A相同的结构。但是，由于供给到气体供给扩散层的气体是氢气，因此气孔率比燃料电池用气体供给扩散层42A低，且厚度薄(参照后述的图8(b))。
在CA类型的燃料电池用分离器21中，使用燃料电池用气体供给扩散层41及燃料电池用气体供给扩散层42A作为气体扩散层(参照后述的图8(a))。CW型燃料电池用分离器24是在C型燃料电池用分离器23A的未形成有燃料电池用气体供给扩散层42A的面上形成有冷却水供给扩散层的构件(参照后述的图8(c))。AW型燃料电池用分离器25是在A型燃料电池用分离器22的未形成有燃料电池用气体供给扩散层41的面上形成有冷却水供给扩散层的分离器(参照后述的图8(d))。
在运行实施方式1所涉及的燃料电池电堆20时，在导入阳极气体(氢气)的燃料极中生成质子(H+)。质子在膜电极接合体81中扩散并向氧极侧移动，与氧反应生成水。生成的水从氧极侧排出。此时，在具备具有如上所述结构的燃料电池用气体供给扩散层42A的燃料电池用分离器23A中，从阴极气体流入口62in流入的空气通过流入通路57及气体流入侧段差51，流入气体流入侧槽53a、53b。流入到气体流入侧段差51内的空气的一部分进入气体流路用槽内后，从气体流路用槽进入多孔质体层40(气体扩散层43)内，而另一部分则从多孔质体层40(气体扩散层43)的端面直接进入多孔质体层40(气体扩散层43)后，并在多孔质体层40(气体扩散层43)内扩散。
空气在多孔质体层40(气体扩散层43)内向平面方向扩散的同时也向厚度方向扩散，并供给到与多孔质体层40(气体扩散层43)相接设置的膜电极接合体81，有助于发电反应。发电中未使用的气体(未使用的氧气及氮气)及发电时生成的水(水蒸气或冷凝水)经由多孔质体层40(气体扩散层43)、气体流路用槽、气体流出侧段差52流出到流出通路58。流出到流出通路58的氧气、氮气及水最终从流出通路58通过阴极气体流出口62out及阴极气体排出口72out排出。此时，在燃料电池用气体供给扩散层42A的结构上，所有的水没有被排出，一部分停留在多孔质体层40(气体扩散层43)内。
由于实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A具有如上所述的特征，因此能够将发电时在膜电极接合体81生成的水(水蒸气或冷凝水)经由多孔质体层40和气体流路用槽高效地排出到气体流路用槽外。
【实施方式1的效果】
根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于在多孔质体层40的一个面上形成有多个气体流路用槽(气体流入侧槽53a、53b、气体流出侧槽54a、54b以及中继用槽55a～55d)，因此与以往相比气体的移动阻力减少，能够对膜电极接合体提供比以往更多的气体。
根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于在多孔质体层40的一个面上形成有多个气体流路用槽，因此由于气体向配设在多孔质体层40的另一个面上的膜电极接合体81的供给一定是通过多孔质体层40来进行的，所以与多个气体流路从多孔质体层40的一哥面到另一面开口的情况相比，能够向膜电极接合体81均匀地供给气体。
根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于在多孔质体层40的一个面上形成有多个气体流路用槽，因此能够将发电中未使用的气体(此时为燃料电池用的阴极气体(氧气、氮气))经由多孔质体层40及气体流路用槽高效地排出到气体流路用槽外，另外，由于多个气体流入侧槽53a、53b与多个气体流出侧槽54a、54b之间形成的伏流区域中，能够以被伏流气流挤出的形式将未用于发电的气体高效地排出到气体流路用槽外，因此能够保持气体的移动阻力比以往低，进而能够保持较高的反应气体浓度，比以往更加提高反应效率(在实施方式1情况下为燃料电池的发电效率)。
根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于在多孔质体层40的一个面上形成有多个气体流路用槽，因此能够将发电时在膜电极接合体81中生成的水分(水蒸气或冷凝水)经由多孔质体层40和气体流路用槽高效地排出到气体流路用槽外，另外，在伏流区域，能够以被伏流气体流挤出的形式将水分(水蒸气或冷凝水)高效地排出到气体流路用槽外，因此排水性比以往更加优越。
根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于多个气体流路用槽包括多个气体流入侧槽53a、53b和多个气体流出侧槽54a、54b，其中多个气体流入侧槽53a、53b是具有不同长度的两种或以上的气体流入侧槽因为包括53b，所以通过多个气体流入侧槽中具有相对短的长度的气体流入侧槽53a(流出侧终端部)的作用，本来容易干燥的流入侧区域的多孔质体层40就能够变得不易干燥，从而能够抑制多孔质体层40过于干燥导致的反应效率的降低。另外，通过多个气体流入侧槽53a、53b中具有相对长的长度的气体流入侧槽53b的作用，本来容易滞留取得的水分(水蒸气或冷凝水)通过气体流入侧槽53b有效地排出，排水性提高，即使在远离流入侧区域且气压本来容易降低的区域，气压也不易降低，从而能够抑制因气压降低导致的反应效率的降低。通过这样，实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A能够比以往更加提高反应效率(实施方式1的情况下为燃料电池的发电效率)，进而是一种排水性比以往优异的气体扩散层。
在实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A中，邻接的两个气体流入侧槽53a、53b具有不同的长度，即沿着上述x方向相邻的两个气体流入侧槽53a、53b中的流出侧终端部(死端部)的位置存在于沿着上述y方向分离的位置，因此流出侧终端部进一步被分散。通过这样，实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A能够进一步提高反应效率，进而是一种排水性更优异的气体扩散层。
在本发明中，相邻的四个或三个气体流入侧槽中的至少一个气体流入侧槽可以具有与其他气体流入侧槽不同的长度。在这种情况下，燃料电池用气体供给扩散层也具有与相邻两个气体流入侧槽具有不同长度时相同的效果。
根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于多个气体流入侧槽53a、53b中的具有最短长度的气体流入侧槽53a具有不到多孔质体层40的从气体流入侧沿流出侧的长度的30％的长度，因此可以进一步抑制因多孔质体层40过于干燥而引起的反应效率的降低。根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于多个气体流入侧槽53a、53b中的具有最长长度的气体流入侧槽53b具有大于等于多孔质体层40的从气体流入侧沿流出侧的长度的40％的长度，因此能够进一步提高排水性，并且能够进一步抑制因气压降低导致的反应效率的降低。
实施方式1燃料电池用气体供给扩散层42A中，多个气体流出侧槽54a、54b包括具有不同长度的两种或以上的气体流出侧槽54a、54b。因此，根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于多个气体流出侧槽54a、54b也包括具有不同长度的两种或以上的气体流出侧槽54a、54b，因此通过多个气体流出侧槽54a、54b中相对较长的气体流出侧槽54b的作用，本来容易滞留的水分(水蒸气、凝聚水)的排出效率提高并促进了气体扩散，从而提高反应效率(实施方式1的情况下为发电效率)。另一方面，通过多个气体流出侧槽54a、54b中相对较短的气体流出侧槽54a的作用，在气体流出侧的区域也通过来自上游的气体扩散用槽的气体的伏流进行规定的反应(实施方式1的情况下为发电)，因此能够提高整体的反应效率(在实施方式1的情况下为发电)。
实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A中，相邻的两个气体流出侧槽54a、54b具有不同的长度，因此长槽和短槽被分散配置。通过这样，实施方式1燃料电池用气体供给扩散层42A能够进一步提高反应效率，进而是一种排水性更优异的气体扩散层。
在本发明中，相邻的四个或三个气体流出侧槽中的至少一个气体流出侧槽可以具有与其他气体流出侧槽不同的长度。在这种情况下，燃料电池用气体供给扩散层也具有与相邻两个气体流出侧槽具有不同长度时相同的效果。
根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于多个气体流入侧槽53a、53b中的具有最短长度的气体流入侧槽53a具有不足多孔质体层40的从气体流入侧沿流出侧的长度的30％的长度，因此能够使容易干燥的流入侧的多孔质体层40特别不易干燥，从而能够进一步提高反应效率。根据实施方式1燃料电池用气体供给扩散层42A，由于具有多个气体流出侧槽54a、54b中具有最长长度的气体流出侧槽54b具有从多孔质体层40的气体的流入侧沿流出侧的长度的30％以上的长度，因此容易滞留的水分(水蒸气、凝聚水)能够通过气体流出侧槽54b有效地排出，从而能够促进气体扩散，从此观点来说也进一步提升了反应效率。
根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于多个气体流路用槽包括多个中继用槽55a～55d，因此能够增加流出侧终端部(死端部)的数量，增加通过伏流区域的气体的量，进一步提高反应效率。还能够实现防止多孔质体层40干燥、提高水分(水蒸气凝聚水)的排出效率的平衡的最优化。
根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于多个中继用槽55a～55d沿着与从气体的流入侧朝向流出侧的方向相垂直的方向(x方向)连通，因此能够沿着连通的方向使气压均等化。
根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，由于多个气体流入侧槽53a、53b、多个气体流出侧槽54a、54b以及多个中继用槽55a～55d以相互交织的方式形成，因此能够实现气压的均等化和伏流的增大。
根据实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，在俯视燃料电池用气体供给扩散层42A时，气体流路用槽形成区域的面积相对于多孔质体层40整体的面积的比例在30％～80％的范围内，因此，能够兼顾充分的气体供给能力和充分的机械强度。
根据实施方式1燃料电池用气体供给扩散层42A，由于燃料电池用气体供给扩散层42A是阴极气体用的燃料电池用气体供给扩散层，因此能够提高燃料电池电堆的性能。
实施方式1的燃料电池用分离器23A是具备作为气体遮蔽板的金属板30、以及配设在金属板30的至少一个面上的燃料电池用气体供给扩散层42A的分离器，燃料电池用气体供给扩散层42A是实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A，多个气体流路用槽(气体流入侧槽53a、53b、气体流出侧槽54a、54b以及中继用槽55a～55d)以位于金属板30侧的方式相对于金属板30配置，由气体流路用槽和金属板30构成气体流路，因此与以往相比能够提高反应效率。
实施方式1所涉及的燃料电池电堆20是层叠分离器和膜电极接合体81而成的燃料电池电堆，分离器是实施方式1所涉及的燃料电池用分离器23A，由于燃料电池用分离器23A与膜电极接合体81是按照膜电极接合体81以位于燃料电池用气体供给扩散层42A的未形成由多个气体流路用槽(气体流入侧槽53a、53b、气体流出侧槽54a、54b和中继用槽55a～55d)的一侧的面的位置关系层叠，因此，能够比以往更加提高反应效率。
根据实施方式1所涉及的燃料电池电堆20，由于燃料电池电堆20是燃料电池电堆，所以是一种能够比以往更加提高燃料电池发电效率的燃料电池电堆。
【燃料电池用分离器23A的制造方法】
作为一例，耐腐蚀层、致密框32、燃料电池用气体供给扩散层42A等可以通过使用混炼了热固性树脂(或热塑性树脂)、碳系导电材料粉末(以及根据情况而定的碳纤维)、树脂粉末以及挥发性溶剂的糊状材料的各向同性加压来形成。例如可以通过印刷、冲印、拉深加工等来形成各个构件和构件特有的形状。还可以通过热压或辊压(热压)配置或形成各构件。
上述的制造方法也可以适用于燃料电池用分离器23A以外的分离器(燃料电池用分离器21、22、24、25)的制造。
【燃料电池用分离器23A以外的分离器】
图8是燃料电池用分离器23A以外的分离器(燃料电池用分离器21、22、24、25)的截面图。其中，图8(a)是CA类型的燃料电池用分离器21的截面图，图8(b)是A类型的燃料电池用分离器22的截面图，图8(c)是CW类型的燃料电池用分离器24的截面图，图8(d)是AW类型的燃料电池用分离器25的截面图。图8是燃料电池用分离器23A的A1-A1截面(参照图5(a))的截面图。在图8中，如果对所有的多个气体流路用槽标注符号，则附图会变得难以分辨，因此仅对一个气体流路用槽标注表示是气体流路用槽(气体流入侧槽、气体流出侧槽或中继用槽中的任一个)的“53”的符号。
本发明的气体扩散层可以适用于燃料电池用分离器21的(阴极气体用)燃料电池用气体供给扩散层42A和/或(阳极气体用)燃料电池用气体供给扩散层41(参照图8(a))。本发明的气体扩散层可以适用于燃料电池用分离器22的(阳极气体用)燃料电池用气体供给扩散层41(参照图8(b))。本发明的气体扩散层可以适用于燃料电池用分离器24的(阴极气体用)燃料电池用气体供给扩散层42A(参照图8(c))。本发明的气体扩散层可以适用于燃料电池用分离器25的(阳极气体用)燃料电池用气体供给扩散层41(参照图8(d))。
像这样，即使在将本发明的气体扩散层应用于如上所述的燃料电池用分离器21、22、24、25的燃料电池用气体供给扩散层的情况下，也能够比以往更加提高反应效率(如果是燃料电池，则为发电效率)。
【实施方式2】
图9是实施方式2的燃料电池用分离器23B的俯视图。与图4的情况同样，为了容易理解地表示燃料电池用气体供给扩散层42B的流路图案，省略了金属板30的图示。这一点在以后的图10～图23及图29～图31中也一样。图10是用于说明实施方式2的燃料电池用气体供给扩散层42B中的气体流入侧槽53c～53f及气体流出侧槽54c～54f的图。图11是用于说明实施方式2的燃料电池用气体供给扩散层42B中的中继用槽55e及连通槽56c的图。
实施方式2的燃料电池用分离器23B的燃料电池用气体供给扩散层42B具有基本上与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A相同的结构，但在气体流路用槽的结构上与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A的情况不同。在实施方式2的燃料电池用气体供给扩散层42B中，如图9～图11所示，形成有长度分别不同的两种或以上的(该实施方式中为四种)气体流入侧槽53c～53f和气体流出侧槽54c～54f。以与气体流入侧槽53c～53f及气体流出侧槽54c～54f交织的方式形成有中继用槽55e。中继用槽55e形成有多个，各个中继用槽55e通过连通槽56c连通。
实施方式2的燃料电池用气体供给扩散层42B及燃料电池用分离器23B与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A及燃料电池用分离器23A一样，是一种能够比以往更加提高反应效率的气体扩散层及分离器。根据实施方式2的燃料电池用气体供给扩散层42B及燃料电池用分离器23B，也同样能够获得与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A及燃料电池用分离器23A共同的特征的共同的效果。
【实施方式3】
图12是实施方式3的燃料电池用分离器23C的俯视图。图13是用于说明实施方式3的燃料电池用气体供给扩散层42C的气体流入侧槽53g～53j及气体流出侧槽54g～54j的图。图14是用于说明实施方式3的燃料电池用气体供给扩散层42C的中继用槽55d～55j及连通槽56d、56e的图。
实施方式3的燃料电池用分离器23C的燃料电池用气体供给扩散层42C具有基本上与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A相同的结构，但在气体流路用槽的结构上与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A的情况不同。在实施方式3的燃料电池用气体供给扩散层42C中，如图12～图14所示，形成有长度分别不同的两种或以上的(该情况下为四种)气体流入侧槽53g～53j和气体流出侧槽54g～54j。以与气体流入侧槽53g～53j及气体流出侧槽54g～54j交织的方式形成有中继用槽55f～55j。其中，气体流入侧槽53i、53j及中继用槽55i、j具有从一个槽分向两个槽分支部位。中继用槽55f与中继用槽55g通过连通槽56d连通，中继用槽55f、55g与中继用槽55h通过连通槽56d连通。即，燃料电池用气体供给扩散层42C包括多个中继用槽55f～55h，该多个中继用槽55f～55h中，以相邻的两条中继用槽连通的方式形成的一对中继用槽沿着与从气体的流入侧朝向流出侧的方向相垂直的方向形成。
实施方式3的燃料电池用气体供给扩散层42C及燃料电池用分离器23C与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A及燃料电池用分离器23A一样，是一种能够比以往更加提高反应效率的气体扩散层及分离器。根据实施方式3的燃料电池用气体供给扩散层42C，由于作为多个中继用槽，包含以相邻的两个中继用槽连通的方式形成的一对中继用槽包括沿着与从气体的流入侧朝向流出侧的方向相垂直的方向形成的多个中继用槽55f～55h，因此，能够抑制压力损失，伏流的气体以及水蒸气或凝集水容易流入下游侧，从而可以使气体更均匀地扩散，并且还可以更高效地将水蒸气或凝集水排出到燃料电池用气体供给扩散层42C之外。根据实施方式3的燃料电池用气体供给扩散层42C，由于多个气体流路用槽的一部分具有“从一个槽分向两个槽的分支部位”，因此能够限定部位而使气压均匀化。另外，还能够增加流出侧终端部(死端部)的数量，从而能够增加通过伏流区域的气体的量，进一步提高反应效率。根据实施方式3的燃料电池用气体供给扩散层42C及燃料电池用分离器23C，也同样能够获得与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A及燃料电池用分离器23A共同的特征的共同的效果。
【实施方式4】
图15是实施方式4的燃料电池用分离器23D的俯视图。图16是用于说明实施方式4的燃料电池用气体供给扩散层42D中的气体流入侧槽53k～53n和气体流出侧槽54k、54l的图。图17是用于说明实施方式4的燃料电池用气体供给扩散层42D的中继用槽55k～55p的图。
实施方式4的燃料电池用分离器23D的燃料电池用气体供给扩散层42D具有基本上与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A相同的构成，但在气体流路用槽的结构上与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A的情况不同。在实施方式4的燃料电池用气体供给扩散层42D中，如图15～图17所示，形成有长度分别不同的两种或以上的(该情况下为四种)气体流入侧槽53k～53n和气体流出侧槽54k、54l。以与气体流入侧槽53k～53n及气体流出侧槽54k、54l交织的方式形成有中继用槽55k～55p。其中，中继用槽55k～55n具有从两个槽向一个槽河流的合流部分。作为实施方式4变形，也可以考虑调换气体流入侧槽53k～53n和气体流出侧槽54k、54l，使中继用槽55k～55n是一种与上述调换对应的配置及形状的方式。
实施方式4的燃料电池用气体供给扩散层42D及燃料电池用分离器23D与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A及燃料电池用分离器23A一样，是一种能够比以往更加提高反应效率的气体扩散层及分离器。根据实施方式4的燃料电池用气体供给扩散层42D，由于多个气体流路用槽的一部分具有“从两个槽向一个槽的合流部位”，因此能够限定部位而使气体压力均匀化。根据实施方式4的燃料电池用气体供给扩散层42D及燃料电池用分离器23D，也同样能够获得与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A及燃料电池用分离器23A共同的特征的共同的效果。
【实施方式5～8】
图18是实施方式5的燃料电池用分离器23E的俯视图。图19是实施方式6的燃料电池用分离器23F的俯视图。图20是实施方式7的燃料电池用分离器23G的俯视图。图21是实施方式8的燃料电池用分离器23H的俯视图。
实施方式5～8的燃料电池用分离器23E～23H及燃料电池用气体供给扩散层42E～42H具有基本上与实施方式1～4的燃料电池用分离器23A～23D及燃料电池用气体供给扩散层42A～42D相同的构成，但在燃料电池用气体供给扩散层的纵横比上与实施方式1～4的燃料电池用分离器23A～23D有所不同。在实施方式5～8燃料电池用气体供给扩散层42E～42H中，构成气体流路用槽的各槽的宽度等也与实施方式1～4的燃料电池用分离器23A～23D不同。不过，对于气体流路用槽图案而言，实施方式5的燃料电池用气体供给扩散层42E与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A、实施方式6的燃料电池用气体供给扩散层42F与实施方式2的燃料电池用气体供给扩散层42B、实施方式7的燃料电池用气体供给扩散层42G与实施方式3的燃料电池用气体供给扩散层42C、以及实施方式8的燃料电池用气体供给扩散层42H与实施方式4的燃料电池用气体供给扩散层42D是相同的(参照图18～图21)。
实施方式5～8燃料电池用气体供给扩散层42E～42H及燃料电池用分离器23E～23H与实施方式1的燃料电池用气体供给扩散层42A及燃料电池用分离器23A一样，是一种能够比以往更加提高反应效率的燃料电池用气体供给扩散层及燃料电池用分离器。另外，实施方式5～8的燃料电池用分离器23E～23H及燃料电池用气体供给扩散层42E～42H，同样能够得到与对应的燃料电池用气体供给扩散层42A～42D及燃料电池用分离器23A～23D同样的效果。
【试验例】
接着，对实际制造本发明的气体扩散层和分离器从而形成燃料电池的最小单位，即单元，并对气体流路用槽的图案的不同对特性产生怎样的影响进行了试验后的结果进行说明。试验例通过对后述的实施例1、实施例2及比较例测定"电流密度与电压的关系"(试验例1)、测定"电流密度与阴极气体的压力的关系"(试验例2)、测定"电流密度分布"(试验例3)来进行。这些试验是对实施例1、实施例2和比较例试验结果的比较，因此也可以称为“比较试验”。
首先，对试验例制造的单元进行说明。作为单元，使用根据实施例1的单元(以下，简称为“实施例1”)、实施例2的单元(以下简称为“实施例2”)以及比较例的单元(以下简称为“比较例”)这三种来制造并进行试验。作为单元，采用阴极气体用的燃料电池用分离器(C类型的分离器)和阳极气体用的燃料电池用分离器(A类型的分离器)夹着膜电极接合体的电池(未图示)。在实施例1的阴极气体用的燃料电池用气体供给扩散层中，气体流路用槽的形状如实施方式5所示(参照图18)。在实施例2的阴极气体用的燃料电池用气体供给扩散层中，气体流路用槽的形状如实施方式8所示(参照图21)。在比较例的阴极气体用的燃料电池用气体供给扩散层中，气体流路用槽的形状如图22所示。
图22是比较例的燃料电池用分离器23I的平面图。图22(a)是展示全部的气体流路用槽的图，图22(b)是仅展示气体流路用槽中的气体流入侧槽53o和气体流出侧槽54m的图(图中未展示中继用槽55q～55t和连通槽56f、56g)。在比较例的阴极气体用的燃料电池用气体供给扩散层中，将气体流路用槽的形状设定为形成在燃料电池用分离器23I的燃料电池用气体供给扩散层42I上(参照图22)。在燃料电池用气体供给扩散层42I中，作为气体流入侧槽53o和气体流出侧槽54m分别使用了相同长度的槽。中继用槽55q～55t中的中继用槽55q、55r通过在宽度方向(x方向)上连通的连通槽56f来连通，中继用槽55s、55t通过连通槽56g来连通。
图23是试验例(实施例1、实施例2及比较例)中使用的阳极气体用燃料电池用分离器22A的俯视图。实施例1、实施例2及比较例中的阳极气体用的燃料电池用气体供给扩散层使用了图23所示的燃料电池用分离器22A中记载的燃料电池用气体供给扩散层41A。燃料电池用气体供给扩散层41A中的气体流路用槽的形状基本上与比较例中的燃料电池用气体供给扩散层42I中的气体流路用槽的形状相同，形成有气体流入侧槽53o、气体流出侧槽54m和中继用槽55q～55s。但是，由于在单元中阳极气体和阴极气体流动方向相反，因此在燃料电池用气体供给扩散层41A中，气体流路用槽的上游下游被调换。另外，在试验例中，对试验结果产生影响的只有气体流路用槽的图案的差异(在实施例1、实施例2和比较例中，气体流路用槽以外的构成要素是共通的)，因此对于气体流路用槽的图案以外的部分省略说明。
在各试验例(试验例1～3)中，作为发电条件，在考虑岛燃料电池的使用条件后，选择"干燥条件、无背压(发电条件1)"、"干燥条件、有背压(发电条件2)"及"湿条件、无背压(发电条件3)"来进行试验。试验时单元的温度为80℃。使用空气作为阴极气体，使用氢气作为阳极气体。阴极气体利用率设定为40％，阳极气体利用率设定为70％。使用铂催化剂(田中贵金属工业制造的TEC10E50E)作为催化剂，负载量两极均约为0.3mg/cm2。作为高分子膜，使用了由默克公司的NAFION(注册商标)NR211构成的厚度25μm的膜。有效面积定为29.16cm2(3cm×9.72cm)。“干燥条件”下的阴极气体·阳极气体的湿度为30％RH，“湿条件”下的阴极气体·阳极气体的湿度为80％RH。“无背压”下的背压为0kPaG，也就是大气压。“有背压”下的背压为150kPaG，也就是大气压加上150kPa的值。
在试验例1～3中，使用了松下制作工程株式会社制的燃料电池单元评价装置。而且，试验例1中"电流密度与电压的关系"的测定及试验例2中的"电流密度与阴极气体的压力的关系"的测定，是通过变更电子负载装置的电流值一边使电流密度逐渐增加一边测定电压及阴极气体的入口侧的压力来进行的。在该测定中，通过根据电流值调整反应气体(阳极气体及阴极气体)的供给量，使气体利用率保持一定。
在试验例3中，并用了S++公司制造的电流密度分布传感器Current scanlin。而且，试验例3中的"电流密度分布"的测定是通过将单元中进行发电的区域划分为20行6列，按每个划分测量电流密度来进行的。该测定在平均电流密度一定的条件下进行。图24是为了说明在试验例3中测量电流密度分布时的区域的划分而示出的图。图24所示的分离器S表示用于单元的C型分离器通用的结构(省略了气体流路用槽的记载)。图24的气体供给扩散层42上的右第3列所示的数字，是对划分出的区域从气体的流入侧向流出侧赋予区域编号的。该区域编号的数字对应于后述的图27的图的横轴(区域编号)的数字。
接下来，对试验的结果进行说明。图25是表示试验例1结果(气体流路用槽的图案与发电特性的关系)的曲线图，是直接表示实施例1、实施例2及比较例中的电流密度与电压的关系(所谓的I-V性能)的曲线图。图26是表示试验例2结果(气体流路用槽的图案与燃料电池用气体供给扩散层中的压力损失的关系)的曲线图，是直接表示实施例1、实施例2和比较例中的电流密度与阴极气体的压力的关系的曲线图。图27是表示试验例3结果(气体流路用槽的图案与燃料电池用气体供给扩散层中的电流密度分布的关系)的曲线图，是直接表示实施例1、实施例2和比较例中的电流密度分布的曲线图。图25(a)、图26(a)以及图27(a)是关于发电条件1的曲线图，图25(b)、图26(b)以及图27(b)是关于发电条件2的曲线图，图25(c)、图26(c)以及图27(c)是关于发电条件3的曲线图。在图27(a)、图27(b)以及图27(c)中，在实施例1、实施例2以及比较例的文字之后记载了"流过平均电流密度的电流时得到的输出电压"的值。在各图表中，实施例1的结果用虚线表示，实施例2的结果用点划线表示，并且比较例的结果用实线表示。
在发电条件1下，如果使电流密度增加，则得到的电压急剧下降，无法得到有意义的结果，因此如图25和图26所示，在以0.6～0.8A/cm2测定后便止了对电流密度与电压之间关系的测量。从结果来看，在图27中，仅在发电条件1情况下，在设定平均电流密度为0.6A/cm2的条件下进行了电流密度分布的测定。
1.试验例1结果
根据试验例1的结果可知，无论在哪种发电条件下，无论以哪种电流密度进行比较，在实施例1及实施例2的情况下都能够得到比比较例的情况高的电压，发电效率变高(参照图25)。
2.试验例2结果
试验例2的结果表明，在任何发电条件下，得到相同电流密度时产生的阴极气体在燃料电池用气体供给扩散层内的压力损失，在试验例1和试验例2的情况下都可以比比较例的情况低(参照图26)。
这些结果意味着，在实施例1和实施例2的情况下，与比较例的情况相比，可以提高发电效率。
3.试验例3结果
首先，平均电流密度(Jm)是指将在包括图24的区域1～20的各区块(i)中得到的个别的电流密度(Ji)的合计除以全区的面积而得到的值。在这些区域内，由催化剂有效利用率决定的活化过电压(Ea)、由燃料电池用气体供给扩散层内的气体供给/排出能力决定的气体扩散过电压(Ed)、由电极内的电子及离子的导电性决定的电阻过电压(Er)分别越小，所得到的电流密度值就越大。参与某个分区得到的电压(Ei)和理论上可能的电池电压(Et)的关系可以用“Ei＝Et-Ea-Ed-Er”的公式求出。
由于催化剂层及燃料电池用气体供给扩散层具有电子导电性，因此与各个区域相关联而得到的电压(Ei)显示与作为电极整体测量的电位(E(与图25所示的电压(v)实质上一致))相同的值。因此，如果应用本发明的燃料电池用气体供给扩散层中的气体流路用槽的图案来改善反应气体的供给/排出能力，则活化过电压(Ea)和气体扩散过电压(Ed)就会减少，如果能够将进行反应生成水在局部排出/实现电极内的均匀分配，则电阻过电压(Ea)机会降低，这样一来，与个别区域相关联而得到的电压(Ei)以及作为电极整体测量的电位(E)应该会增加。
首先，在发电条件1的"干燥条件、无背压"(参照图27(a))条件下，0.6A/cm2下的电池输出在实施例1中为0.522×0.6W/cm2，在实施例2中为0.551×0.6W/cm2，明显高于比较例的0.452×0.6W/cm2。尽管如此，发现在气体流入侧(区域编号1～7)，在任何情况下都只能得到相同程度的低电流密度。可以认为，这是因为使用了干燥条件的气体，导致多孔质体层(特别是气体流入侧区域的多孔质体层)过于干燥。但是，在实施例1和实施例2中，由于反应生成水有效地加湿中间区域(区域编号7～16)，因此与比较例相比带来高电流密度，带来上述高的电池输出。这样的理由是，由于能够改善本发明的气体流路用槽的图案带来的反应气体的供给/排出能力，活化过电压(Ea)和气体扩散过电压(Ed)减少，以及能够进行反应生成水的排出和电极内的均等分配，其结果就是电阻过电压(Er)减少，有助于个别区域参与得到的电压(Ei)以及作为电极整体测量的电位(E)的增加。
接下来，发电条件2“干燥条件，有背压”(参照图27(b))下，2.0A/cm2下的电池输出在实施例1中为0.519×2W/cm2，在实施例2中为0.554×2W/cm2，高于比较例的0.436×2W/cm2。在发电条件2下，与发电条件1下的任何结果相比，都实现了电池输出的高输出化。这是因为，由于施加背压的效果，发电量本身增大，且发电中生成的水分量增大，结果多孔质体层的干燥得到抑制，电池输出功率变高。此外，发电条件2中的实施例1及实施例2的电流密度分布与发电条件2中的比较例的电流密度分布以及发电条件1中的实施例1、实施例2及比较例的电流密度分布相比，发电区域明显地向气体流入侧(区域编号1～10)偏移。这是因为在实施例1和实施例2情况下，特别是通过具有相对较短长度的气体流入侧槽的作用，在气体流入侧的区域的发电中生成的水分变多，在该区域的多孔质体层的干燥得到进一步抑制，通过活化过电压(Ea)及气体扩散过电压(Ed)的减少，作为电极整体得到了更高的电池输出的缘故。
接下来，在发电条件3“湿条件、无背压”(参照图27(c))中也发现，在实施例1、实施例2及比较例的任一情况下，都能够比发电条件1的情况下提高电池输出。该结果表明，其原因在于，通过采用湿条件的效果抑制了气体流入侧(区域编号1～10)的多孔质体层的干燥，这些区域的电流密度增大，电池输出变高。与比较例相比，在实施例1和实施例2中，通过其气体流路用槽的图案，向电极整个面的气体供给和加湿的效果扩大，因此各区域的电位(Ei)得到改善，因此电极电位(e)也得到改善，带来了电池输出提高。
【变形例1～4】
本发明中的多个气体流路用槽的图案并不限定于上述各实施方式中说明的图案。图28是变形例1的燃料电池用分离器23J的俯视图。图29是变形例2的燃料电池用分离器23K的俯视图。图30是变形例3的燃料电池用分离器23L的俯视图。图31是变形例4的燃料电池用分离器23M的俯视图。
在变形例1的燃料电池用分离器23J的燃料电池用气体供给扩散层42J中，形成有具有不同长度的两种或以上(该情况下为两种)气体流入侧槽53p、53q，其中长的两个气体流入侧槽53q与在燃料电池用气体供给扩散层42J的整个x方向上形成的连通槽56f连通(参照图28)。连通槽56f与沿气体流动方向形成的附加槽53r、53s连通。在变形例1的燃料电池用气体供给扩散层42J中，气体流出侧槽54m全部具有相同的长度，但本发明不限于此，也可以具有长度与气体流出侧槽54m不同的气体流出侧槽。
在变形例2的燃料电池用分离器23K的燃料电池用气体供给扩散层42K中，形成有具有不同长度的两种或以上(该情况下为两种)气体流入侧槽53t、53u，其中长两个气体流入侧槽53u将燃料电池用气体供给扩散层42K划分为3个区域(参照图29)。中继用槽55u等中继用槽与分别形成在由气体流入侧槽53u划分出的区域中的连通槽56g～56i等连通槽连通。在变形例2的燃料电池用气体供给扩散层42K中，气体流出侧槽54n全部具有相同的长度，但也可以具有长度与气体流出侧槽54n不同的气体流出侧槽。
在变形例3的燃料电池用分离器23L的燃料电池用气体供给扩散层42L中，不仅仅形成有长度不同的槽，还形成有气体流入侧槽53v、气体流出侧槽54o以及中继用槽55v那样的分支或合流的槽(参照图30)在图30中，作为多阶段分支和合流的示例，用标记V的虚线包围并强调了气体流入侧槽53v分支的部位。
在变形例4的燃料电池用分离器23M的燃料电池用气体供给扩散层42M中，多个气体流路用槽的基本图案与实施方式1的燃料电池用分离器23A的燃料电池用气体供给扩散层42A基本相同。但是，变形例4中的气体流入用槽53w、53x、气体流出用槽54q、54r及中继用槽55x～55z分别形成为锯齿状。在本发明中，气体流路用槽也可以形成为波状或圆弧状。此外，在本发明中，气体流路用槽也可以是宽度变化的形状。即，在本发明中，气体流路用槽也可以形成为直线状以外的形状。像这样，本发明中多个气体流路用槽的图案只要是不损害本发明的效果的形态，就可以根据各个情况等形成为任意的形状。
【变形例5】
在上述各实施方式中，作为膜电极接合体，使用了具有与燃料电池用气体供给扩散层大致相同面积的催化剂层85的膜电极接合体81，但本发明并不限定于此。作为膜电极接合体，也可以使用具有面积比燃料电池用气体供给扩散层小的催化剂层85的膜电极接合体。
【变形例6】
在上述各实施方式中，作为气体流路用槽，使用了多孔质体层40(或气体流路用槽)的表面的气体流路用槽的宽度与气体流路用槽的底部的气体流路用槽的宽度相等、截面为长方形的气体流路用槽(参照图5和图8)，本发明并不限于此。也可以是槽底比表面窄的截面三角形状的气体流路用槽，也可以是槽底比表面窄的截面半圆形状的气体流路用槽，还可以是其他形状的气体流路用槽。
【变形例7】
在上述各实施方式中，作为气体扩散层，使用了具备在一个面上形成有气体流路用槽的多孔质体层40的燃料电池用气体供给扩散层(参照图4)，本发明并不限于此。例如，也可以使用具备在一个面上形成有气体流路用槽的多孔质体层40、和配置在该多孔质体层40的另一个面上的微孔层的燃料电池用气体供给扩散层。在采用这样的结构的情况下，可以使用不具有微孔层的膜电极接合体来构成分离器。
【变形例8】
在上述各实施方式中，作为气体遮蔽板使用了金属板30，但本发明并不限定于此。也可以使用金属板30以外的由具有遮蔽气体的性质的材料构成的板(例如，由导电性的微粒和树脂构成的导电性复合素材板、与集电片组合的陶瓷板或树脂板)。
各变形例所记载特征可以适用于本发明的所有气体扩散层、分离器和电化学反应装置。例如，可以适用于各变形例所记载特征在于，CA类型的燃料电池用分离器21、CW类型的燃料电池用分离器24、A类型的燃料电池用分离器22、AW类型的燃料电池用分离器25、以及具备这些燃料电池用气体供给扩散层的燃料电池用分离器及燃料电池单元。
【变形例9】
本发明的气体扩散层、分离器和电化学反应装置也可以用于电解。
以上，根据图示的实施方式对本发明的气体扩散层、分离器以及电化学反应装置进行了说明，但本发明并不限定于上述各实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内能够进行各种变形实施。
【符号说明】
20…燃料电池电堆；21、22、22A、23A～23L、24、25…燃料电池用分离器；27A、27B…集电板；28A、28B…绝缘片；30…金属板；32…致密框；33…衬垫；40…多孔质体层；41、41A、42、42A～42L…燃料电池用气体供给扩散层；43…气体扩散层；51…气体流入侧段差；52…气体流出侧段差；53…气体流路用槽；53a～53q、53t～53x…气体流入侧槽；53r、53s…附加槽、54a～54q…气体流出侧槽；55a～55z…中继用槽；56a～56i…连通槽；57…流入通路；58…流出通路；61in…阳极气体流入口；61out…阳极气体流出口；62in…阴极气体流入口；62out…阴极气体流出口；63in…冷却水流入口；63out…冷却水流出口；71in…阳极气体供给口；71out…阳极气体排出口；72in…阴极气体供给口；72out…阴极气体排出口；73in…冷却水供给口；73out…冷却水排出口；75、76…端板；81…膜电极接合体；81A…框架；82…电解质膜；83…微孔层；85…催化剂层。

Claims (19)

1.一种气体扩散层，包括能够透过及扩散气体且具有导电性的片状的多孔质体层；以及在所述多孔质体层的一个面上从所述气体的流入侧向流出侧形成的多个气体流路用槽，其特征在于：
所述多个气体流路用槽包含形成于所述气体的流入侧的多个气体流入侧槽以及形成于所述气体的流出侧的多个气体流出侧槽，
所述多个气体流入侧槽包含具有不同长度的两种或以上的气体流入侧槽。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于：
相邻的四个所述气体流入侧槽中的至少一个所述气体流入侧槽的长度与其他的所述气体流入侧槽的长度不同。
3.根据权利要求2所述的气体扩散层，其特征在于：
相邻的两个所述气体流入侧槽具有不同的长度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体扩散层，其特征在于：
所述多个气体流入侧槽中最短的气体流入侧槽的长度不足所述多孔质体层的从所述气体的流入侧沿流出侧的长度的30％，所述多个气体流入侧槽中最长的气体流入侧槽的长度大于等于所述多孔质体层的从所述气体的流入侧沿流出侧的长度的40％。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体扩散层，其特征在于：
所述多个气体流出侧槽包含具有不同长度的两种或以上的气体流出侧槽。
6.根据权利要求5所述的气体扩散层，其特征在于：
相邻的四个所述气体流出侧槽中的至少一个所述气体流出侧槽的长度与其他的所述气体流出侧槽的长度不同。
7.根据权利要求6所述的气体扩散层，其特征在于：
相邻的两个所述气体流出侧槽具有不同的长度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体扩散层，其特征在于：
所述多个气体流入侧槽中最短的气体流入侧槽的长度不足所述多孔质体层的从所述气体的流入侧沿流出侧的长度的30％，所述多个气体流出侧槽中最长的气体流出侧槽的长度大于等于所述多孔质体层的从所述气体的流入侧沿流出侧的长度的30％。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的气体扩散层，其特征在于：
所述多个气体流路用槽除了所述多个气体流入侧槽和所述多个气体流出侧槽之外，还包括形成在所述气体流入侧槽与所述气体流出侧槽之间的多个中继用槽。
10.根据权利要求9所述的气体扩散层，其特征在于：
所述多个中继用槽之间沿着与从所述气体流入侧向流出侧的方向相垂直的方向连通。
11.根据权利要求9所述的气体扩散层，其特征在于：
作为所述多个中继用槽，包括以所述相邻的两个中继用槽相互连通的方式形成的一对中继用槽沿着与从所述气体的流入侧向流出侧的方向相垂直的方向形成的多个中继用槽。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的气体扩散层，其特征在于：
所述多个气体流入侧槽、所述多个气体流出侧槽及所述多个中继用槽以相互交织的方式形成。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的气体扩散层，其特征在于：
所述多个气体流路用槽的全部或一部分具有“从一个槽向两个槽的分支部位”或“从两个槽向一个槽的合流部位”。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的气体扩散层，其特征在于：
在俯视所述气体扩散层时，所述气体流路用槽形成区域的面积相对于所述多孔质体层整体的面积的比例在30％～80％的范围内。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的气体扩散层，其特征在于：所述气体扩散层为燃料电池用气体供给扩散层。
16.根据权利要求15所述的气体扩散层，其特征在于：
所述气体扩散层为阴极气体用燃料电池用气体供给扩散层。
17.一种分离器，包括气体遮蔽板；以及配置在所述气体遮蔽板的至少一个面上的气体扩散层，其特征在于：
所述气体扩散层为权利要求1～16中任一项所述的气体扩散层，所述气体扩散层以所述多个气体流路用槽位于所述气体遮蔽板侧的方式相对于所述气体遮蔽板配置，
由所述气体流路用槽和所述气体遮蔽板构成气体流路。
18.一种电化学反应装置，由分离器和膜电极接合体层叠而成，其特征在于：
所述分离器为权利要求17所述的分离器，
所述分离器与所述膜电极接合体以所述膜电极接合体位于所述气体扩散层的未形成有所述多个气体流路用槽的一侧的面上的位置关系层叠。
19.根据权利要求18所述的电化学反应装置，其特征在于：
所述电化学反应装置为燃料电池电堆。
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